取样光纤光栅的刻制方法技术

一种取样光纤光栅的刻制方法，采用从光纤一端拉伸光纤前后，对光纤上光栅刻制区两次曝光的方法。两次曝光中，由紫外激光器发射紫外激光束透过的振幅掩模板和相位板结构和位置都相同，仅仅是对光纤从一端拉伸。采用光谱仪监测光纤光栅中心反射峰布喇格波长在拉伸中的变化量，以此控制光纤光栅拉伸前后的初始位相差为π的整数倍。与在先技术相比，本发明专利技术的刻制方法简单，容易操作，所刻制的取样光纤光栅在轴向形成了莫尔条纹状的折射率调制，实现了光纤光栅信道间隔的减半或多信道的同时纯变迹。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别涉及利用单方向拉伸和二次曝光对取样光纤光栅的信道间隔减半或多信道同时纯变迹的方法。
技术介绍
取样光纤光栅是在普通光纤光栅的基础上，用取样函数对折射率的振幅或相位进行周期性的调制。空间的周期性调制在频谱上对应于一系列的反射峰，各反射峰的间隔由取样函数的周期决定。取样光纤光栅在密集波分复用系统中可以作为多信道滤波器，与环形器结合还可做成多信道的分插复用器，可做成实现大范围调谐的光纤激光器。在密集波分复用技术中，随着通信速率和信道复用密度的提高，最大限度地增加光纤中复用的波长数、减小信道间隔，是增加光纤通信传输容量的重要而且有效的手段，所以设计制作信道间隔小，各信道反射率均匀的取样光纤光栅有重要的实际应用价值。在先技术中，制作取样光纤光栅的方法有扫描法和振辐掩模板法。各自的特点为1.用扫描法制作取样光纤光栅，其原理是在光纤的侧向写入光纤光栅的过程中，紫外光束周期性地发射脉冲并沿相位板扫描，光纤位于相位板衍射场内，这样沿光纤轴向折射率的振幅或相位得到了周期性的调制。据在先技术的报道，240nm的准分子激光器每隔15秒以10Hz激发150个光脉冲，并以0.19mm/s的速度沿40mm长的相位板扫描，制作了信道间隔为0.13nm，反射带宽为0.05nm的取样光纤光栅，出现了5个反射率从30％到95％不等的反射峰。扫描法中，取样光纤光栅的信道间隔由写入光束的扫描速度和曝光周期决定。2.用振幅掩模板法制作取样光纤光栅，其原理是用取样振辐掩模板和均匀周期相位板叠加一次成栅的办法来制作取样光纤布拉格光栅，取样函数由取样振辐掩模板决定。设取样函数为周期LA，采样率R＝LB/LA的矩形函数。均匀周期相位板的周期为Λ，则取样光纤光栅反射谱中反射峰的信道间隔满足Δλ=neff*2Λ2LA=λB22neffLA----(1)]]>其中neff为光纤的有效折射率，λB为光纤光栅的中心反射峰布喇格波长。所以通过确定取样函数周期LA可以制作特定信道间隔的取样光纤光栅。据在先技术的报道，假定neff＝1.45，λB＝1550nm，设取样周期为1mm，采样率为1/5，可以得到的信道间隔为0.8nm，与国际电信标准(ITU-T)建议的100G一致。上述在先技术制造取样光纤光栅的方法中，扫描法由于实时控制参量多而相对复杂，振辐掩模板法只需确定取样周期和采样率就可以一次成栅，但由公式(1)可知，要实现更密集的信道间隔，必须增大取样周期LA，更换振辐掩模板。然而，取样周期增加时，通道间隔虽然被均分，但各个峰的平坦度变差；而作为滤波器，不同信道之间的功率均衡是很重要的，要提高平坦度，就必须减小采样率，实际制作过程中，在光纤光栅长度不变而取样周期增大、采样率减小的情况下，要制造高反射率的取样光纤光栅，就要增长曝光时间来增大折射率调制，同时对写入光的相干性提出要求。取样光纤光栅的取样函数为周期等于LA，采样率R等于LB/LA的矩形函数(LB为透光区)，由于这种矩形函数的傅立叶变换是一个sinc函数的形式，因而在频域范围光栅布拉格共振峰两侧会出现很多边峰，这些边峰的存在会降低信道隔离度，引起信道串扰，损坏光栅的滤波特性。变迹就是通过在光栅的初始部分逐渐的增加光栅的耦合系数，而在光栅的结束部分逐渐的降低光栅的耦合系数来抑制各反射峰两侧的边峰的方法。因为光栅的耦合系数与折射率调制成正比，所以常通过改变折射率调制来进行变迹。然而，简单的改变光栅折射率调制会使得光栅区中间部分的光栅布拉格共振峰向长波方向移动，而光栅区两边的布拉格共振峰仍在短波边，这样就形成了一个法布里-珀罗(F-P)腔，使得在光栅布拉格共振峰的短波方向出现了一些极窄的反射峰，这同样也损坏了光栅的滤波特性。要避免出现这种情况，就要使光栅折射率调制发生变化的同时平均有效折射率在光栅区维持不变，又称为纯变迹。当光纤光栅的折射率调制为单周期的莫尔条纹状时，沿光纤光栅轴向产生了一个等效的平均有效折射率，它不随位置变化，所以此时可以对光纤光栅进行纯变迹。在先技术中，利用莫尔效应对光纤光栅变迹的方法有对称施加应力法，莫尔相位板法和角度干涉法。各自的特点为1.对称施加应力法变迹光纤光栅，其原理是首先在光纤上先写入一个光栅，然后给光纤两端施加一定的对称的应力，固定后再写入一个等强度的光栅。松开光纤后，这两个叠加的光栅就形成莫尔(moiré)光栅，从而达到变迹效果。先后写入的两个光栅在光栅区的正中间相位一致，偏离中间，相位差逐渐增加直到光栅两端，这时位相差π，变迹函数是余弦函数。据在先技术的报道，把光纤两端固定在两个压电陶瓷(PZT)上，在刻写光栅时，给PZT施加高频的振荡信号(其幅值由光栅的周期决定)，恰好使得PZT膨胀的长度正好等于光栅的周期，从而控制施加的应力，以保证两光栅长度相差一个周期，且受到的紫外光辐照剂量一样。2.莫尔相位板法变迹光纤光栅，其原理是通过改变相位板的占空比或条纹刻蚀深度而改变相位板的衍射效率，从而使得条纹可见度发生改变，光栅的折射率调制幅度发生变化。当相位板中间衍射效率最大，两边衍射效率逐渐变小时，用这样的相位板就可以制作出变迹光栅。据在先技术的报道，采用该方法制作出的反射率为10％的变迹光栅的边峰比相同反射率未变迹的光栅的边峰降低了14dB。制作这种变迹相位板可以采用常规的电子束刻蚀的方法如在先技术或双曝光刻写moiré光栅的方法如在先技术。3.角度干涉法变迹光纤光栅，其原理是在利用全息法制作光纤光栅的过程中，使一束光通过楔形棱镜入射到光纤上，另一束光直接入射，通过改变楔形棱镜的角度并进行两次曝光，可以在光纤光栅上形成莫尔条纹状的折射率调制，当中间的折射率调制最大而两端的折射率调制为零时，可以达到纯变迹的效果。据在先技术的报道，采用该方法变迹的光纤光栅短波长方向的边模从-14dB被抑制到-19dB，而长波长方向的边模被抑制到-21dB以下。上述在先技术变迹光纤光栅的方法中，第一种对称施加应力法的难点在于怎样控制施加的应力，以保证两光栅长度相差一个周期，且先后写入的两个光栅在光栅区的正中间相位一致。第二种莫尔相位板法的不足之处是制作不同的变迹光栅需要不同的变迹相位板，变迹相位板不容易制作，制作的成功率不高，而且采用双曝光刻写莫尔(moiré)光栅方法制作出的变迹相位板易碎，制作过程中容易损坏相位板。第三种角度干涉法变迹光纤光栅的过程中，楔形棱镜的转角控制要求有很高精度，要保证π相移点恰好出现在光纤光栅的两个端点，且别处无π相移点，否则就会在光纤轴向引入相移而达不到变迹效果。值得指出的是，以上三种变迹方法都是针对普通光纤光栅即单信道的滤波器而言的。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述在先技术中各种方法的缺点，利用振幅掩模板法制作取样光纤光栅，通过单向拉伸和二次曝光刻制成的取样光纤光栅在轴向形成了莫尔条纹状的折射率调制，在取样光纤光栅的轴向引入了一个或若干个π相移点，两次曝光使用相同的振幅掩模板和相位板，在拉伸过程中通过控制π相移点的位置和两次曝光的初始位相差，所制成的取样光纤光栅实现了信道间隔减半或多信道的同时纯变迹。本专利技术所用的刻制装置如图1所示。本专利技术采用振幅掩模板和两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种取样光纤光栅的刻制方法，采用振幅掩模板和两次曝光法，具体的刻制方法是： 〈１〉所采用的装置包括发射紫外激光束（Ｇ↓［ｊ］）的紫外激光器（１），振幅掩模板（２），相位板（３）和光谱仪（６），首先在一根待刻制光栅的光纤（４）中间，剥去一段光纤（４）的外包层（４０１），露出光纤（４）纤芯作为光栅刻制区（４０２），由紫外激光器（１）发射的紫外激光束（Ｇ↓［ｊ］）先后透过振幅掩模板（２）和相位板（３），对光栅刻制区（４０２）进行第一次曝光； 其特征在于： 〈２〉第一次曝光后，将光纤（４）的一端作为固定点（Ｏ↓［ｆ］），从光纤（４）的另一端拉伸点（Ｏ↓［ｓ］）开始拉伸光纤（４），在拉伸的过程中，用光谱仪（６）检测经第一次曝光后，已经在光栅刻制区（４０２）刻成的光纤光栅的中心反射峰布喇格波长的变化量Δλ，以此控制两次曝光的初始位相差ψ↓［２］－ψ↓［１］为π的整数倍，即 ψ↓［２］－ψ↓［１］＝Ｍπ （１） 其中ψ↓［１］－为拉伸前光纤光栅起始端点（Ｏ↓［０］）的初始位相，ψ↓［２］－为拉伸后光纤光栅起始端点（Ｏ↓［０］′）的初始位相， 当Ｍ为偶数时： Ｍ↓［偶］＝ΔＬ.（Ｌ－Ｌ↓［ｇ］－Ｌ↓［２］）／Ｌ.ｄ↓［１］ （２） 当Ｍ为奇数时： Ｍ↓［奇］＝２.ΔＬ.（Ｌ－Ｌ↓［ｇ］－Ｌ↓［２］）／Ｌ.ｄ↓［１］ （３） 其中 ΔＬ＝１／ｋ.Δλ／λ.Ｌ （４） 式（４）中，ｋ－为光纤（４）的应变系数，λ－为光谱仪（６）测得的光纤（４）在拉伸前光纤光栅的中心反射峰布喇格波长，Δλ－为光谱仪（６）测得的光纤（４）在拉伸后光纤光栅的中心反射峰布喇格波长λ的变化量，上述（２）、（３）、（４）式中，Ｌ－为光纤（４）在拉伸前的总长度，Ｌ↓［ｇ］为光栅刻制区（４０２）在拉伸前的长度，Ｌ↓［２］－为光栅刻制区（４０２）的末端点（Ｏ↑［０］）至光纤（４）拉伸点（Ｏ↓［ｓ］）之间的光纤长度，ｄ↓［１］－为相位板（３）的周期； 〈３〉当光纤（４）被拉伸至初始位相差ψ↓［２］－ψ↓［１］为π的整数倍时，停止拉伸，并固定此拉伸点（Ｏ↓［ｓ］），由紫外激光器（１）发射的紫外激光束（Ｇ↓［ｊ］）透过与第一次曝光时相同结构、相同位置的振幅掩模板（２）和相位板（３）对光栅刻制区（４０２）进行第二次曝光，则取样光纤光栅刻制完成。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵岭，方祖捷，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]